Kvantechip tager mikrosekunder at udføre en opgave, som en supercomputer ville bruge 9,000 år på PlatoBlockchain-dataintelligens. Lodret søgning. Ai.

Kvantechip tager mikrosekunder at udføre en opgave, som en supercomputer ville bruge 9,000 år på

Tidsstempel: 7. juni 2022 kl. 10
kvantefordel fotoner lys-baseret databehandling

Er kvantecomputere overhypede?

En ny undersøgelse in Natur siger nej. En smart designet kvanteenhed udviklet af Xanadu, et firma baseret i Toronto, Canada, udslettede konventionelle computere på en benchmark-opgave, der ellers ville tage over 9,000 år.

For kvantechippen Borealis kom svarene inden for 36 mikrosekunder.

Xanadus præstation er den seneste til at demonstrere kvantekraften computing i forhold til konventionelle computere - en tilsyneladende simpel idé kaldet kvantefordel.

Teoretisk giver begrebet mening. I modsætning til konventionelle computere, der beregner i rækkefølge ved hjælp af binære bits - 0 eller 1 - udnytter kvanteenheder kvanteverdenens underlighed, hvor 0 og 1 begge kan eksistere på samme tid med forskellige sandsynligheder. Dataene behandles i qubits, en uforpligtende enhed, der samtidig udfører flere beregninger takket være dens unikke fysik.

Oversættelse? En kvantecomputer er som en hypereffektiv multitasker, hvorimod konventionelle computere er langt mere lineære. Når de får det samme problem, burde en kvantecomputer være i stand til at afbryde enhver supercomputer i ethvert problem med hensyn til hastighed og effektivitet. Idéen, kaldet "kvanteoverherredømme", har været drivkraften til at presse på for en ny generation af computere, der er fuldstændig fremmed for noget, der tidligere er lavet.

Problemet? Det er ekstremt svært at bevise kvanteherredømmet. Efterhånden som kvanteenheder i stigende grad forlader laboratoriet for at løse flere problemer i den virkelige verden, omfavner videnskabsmænd et mellemliggende benchmark: kvantefordel, som er ideen om, at en kvantecomputer kan slå en konventionel computer med kun én opgave – enhver opgave.

Tilbage i 2019, Google knækkede internettet viser det første eksempel på en kvantecomputer, Sycamore, der løser et beregningsproblem på kun 200 sekunder med 54 qubits - sammenlignet med en konventionel supercomputers estimat på 10,000 år. Et kinesisk hold snart fulgte med en anden fascinerende fremvisning af kvanteberegningsfordele, hvor maskinen spyttede svar ud, der ville tage en supercomputer over to milliarder år.

Alligevel er der stadig et afgørende spørgsmål: er nogen af ​​disse kvanteenheder endda tæt på at være klar til praktisk brug?

Et drastisk redesign

Det er let at glemme, at computere er afhængige af fysik. Vores nuværende system, f.eks elektroner og smart designet chips at udføre deres funktioner. Kvantecomputere ligner hinanden, men de er afhængige af alternativ partikelfysik. De første generationer af kvantemaskiner lignede sarte, flimrende lysekroner. Selvom de er helt fantastiske, sammenlignet med en kompakt smartphone-chip, er de også fuldstændig upraktiske. Hardwaren kræver ofte stramt kontrollerede klimaer - for eksempel tæt på det absolutte nulpunkt - for at reducere interferens og øge computerens effektivitet.

Kernekonceptet for kvanteberegning er det samme: qubits, der behandler data i superposition, en kvantefysisk særhed, der giver dem mulighed for at kode 0'er, 1'ere eller begge dele på samme tid. Den hardware, der understøtter ideen, er meget forskellig.

Googles Sycamore bruger f.eks. superledende metalsløjfer - en opsætning populær blandt andre teknologigiganter, herunder IBM, som introducerede Eagle, en kraftfuld 127-qubit kvantechip i 2021 er det omtrent på størrelse med en fjerdedel. Andre iterationer fra virksomheder som f.eks Honeywell og IonQ tog en anden tilgang, idet de tog ind i ioner - atomer med en eller flere elektroner fjernet - som deres vigtigste kilde til kvanteberegning.

En anden idé er afhængig af fotoner eller lyspartikler. Det har allerede vist sig nyttigt: Den kinesiske demonstration af kvantefordel brugte for eksempel en fotonisk enhed. Men ideen er også blevet undgået som et trinbræt i retning af kvanteberegning snarere end en praktisk løsning, hovedsageligt på grund af vanskeligheder med konstruktion og opsætning.

En fotonisk revolution

Xanadus hold beviste, at nej-sagerne tog fejl. Den nye chip, Borealis, ligner marginalt den i den kinesiske undersøgelse, idet den bruger fotoner – i stedet for superledende materialer eller ioner – til beregning.

Men det har en kæmpe fordel: det er programmerbart. "Tidligere eksperimenter var typisk afhængige af statiske netværk, hvor hver komponent er fikseret, når den er fremstillet," forklarede Dr. Daniel Jost Brod ved Federal Fluminense University i Rio de Janeiro i Brasilien, som ikke var involveret i undersøgelsen. Den tidligere demonstration af kvantefordel i den kinesiske undersøgelse brugte en statisk chip. Med Borealis kan de optiske elementer "alle let programmeres", hvilket gør det mindre til en engangsenhed og mere til en faktisk computer, der potentielt er i stand til at løse flere problemer. (Kvantelegepladsen er tilgængelig i skyen for alle at eksperimentere og udforske, når du tilmelder dig.)

Chippens fleksibilitet kommer fra en genial designopdatering, et "innovativt skema [der] tilbyder imponerende kontrol og potentiale for skalering," sagde Brod.

Holdet nulstillede et problem, der blev kaldt Gaussisk bosonprøvetagning, et benchmark til evaluering af kvanteberegningsevner. Selv om testen er ekstraordinært vanskelig beregningsmæssigt, har den ikke meget indflydelse på problemer i den virkelige verden. Men ligesom skak eller Go til måling af AI-ydeevne, fungerer det som en upartisk dommer til at undersøge kvantecomputerens ydeevne. Det er en slags "guldstandard": "Gaussisk bosonsampling er et skema designet til at demonstrere fordelene ved kvanteenheder i forhold til klassiske computere," forklarede Brod.

Opsætningen er som et karneval funhouse spejltelt i en gyserfilm. Særlige lystilstande (og fotoner) - morsomt kaldet "pressede tilstande”-er tunneleret ind på chippen, der er indlejret med et netværk af stråledelere. Hver stråledeler fungerer som et semi-reflekterende spejl: afhængigt af hvordan lyset rammer, deler den sig i flere døtre, hvor nogle reflekterer tilbage og andre passerer igennem. For enden af ​​genstanden er en række fotondetektorer. Jo flere stråledelere, jo sværere er det at beregne, hvordan en individuel foton vil ende ved en given detektor.

Som en anden visualisering: forestil dig en bønnemaskine, et pladebesat bord indkapslet i glas. For at spille taber du en puck i pløkkene øverst. Når pucken falder, rammer den tilfældigt forskellige pinde, og lander til sidst i en nummereret slot.

Gaussisk bosonsampling erstatter pukkene med fotoner med det formål at detektere, hvilken foton der lander i hvilken detektorspalte. På grund af kvanteegenskaber vokser de mulige resulterende distributioner eksponentielt, og overgår hurtigt enhver supercomputer-kræfter. Det er et fremragende benchmark, forklarede Brod, hovedsagelig fordi vi forstår den underliggende fysik, og opsætningen antyder, at selv et par hundrede fotoner kan udfordre supercomputere.

Den nye undersøgelse tog udfordringen op og gentænkte en fotonisk kvanteenhed med beundringsværdige 216 qubits. I modstrid med klassiske designs beregnede enheden fotoner i skuffer med ankomsttid i stedet for den tidligere retningsstandard. Tricket var at indføre sløjfer af optiske fibre for at forsinke fotoner, så de kan interferere på specifikke steder, der er vigtige for kvanteberegning.

Disse tweaks førte til en meget slanket enhed. Det sædvanlige store netværk af stråledelere - normalt nødvendige til fotonkommunikation - kan reduceres til kun tre for at imødekomme alle de nødvendige forsinkelser for fotoner til at interagere og beregne opgaven. Sløjfedesignerne er sammen med andre komponenter også "let programmerbare" ved, at en stråledeler kan finjusteres i realtid - som at redigere computerkode, men på hardwareniveau.

Holdet gennemførte også en standard fornuftskontrol, der bekræftede, at outputdataene var korrekte.

Indtil videre er undersøgelser, der pålideligt viser kvanteoverlegenhed, sjældne. Konventionelle computere har et halvt århundredes forspring. Efterhånden som algoritmer bliver ved med at udvikle sig på konventionelle computere - især dem, der udnytter kraftfulde AI-fokuserede chips eller neuromorfisk computerdesigns - de kan endda let overgå kvanteenheder, hvilket efterlader dem, der kæmper for at indhente det.

Men det er det sjove ved jagten. "Kvantefordel er ikke en veldefineret tærskel, baseret på et enkelt merittal. Og efterhånden som eksperimenter udvikler sig, vil teknikker til at simulere dem også - vi kan forvente, at rekordsættende kvanteenheder og klassiske algoritmer i den nærmeste fremtid skiftes til at udfordre hinanden om topplaceringen," sagde Brod.

"Det er måske ikke slutningen på historien," fortsatte han. Men den nye undersøgelse "er et spring fremad for kvantefysikken i dette løb."

Billede Credit: geralt / 24493 billeder

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub